CN103811872A - 具集中磁场的构型天线 - Google Patents

Abstract

本发明实施例是一种具集中磁场的构型天线，包含有一主要线圈与一对以上的辅助线圈，该主要线圈与该对辅助线圈分别包含有一个以上的导线线段，各导线线段上定义有一虚拟基准面，该对辅助线圈是设于主要线圈的周围且其虚拟基准面是与主要线圈的虚拟基准面呈一夹角；主要线圈产生的磁力线是由其虚拟基准面向外辐射，该对辅助线圈的各导线线段产生的磁力线是将主要线圈外围的磁力线导向其虚拟基准面，以集中并增强主要线圈的磁力线且可减少漏磁，解决现有利用电磁感应的线圈组易于传输作用区之外产生漏磁与电磁干扰的问题。

Description

具集中磁场的构型天线

技术领域

本发明是一种天线，尤指一种可集中磁场的磁力线辐射方向的天线。

背景技术

由于科技的快速发展，从小型的可携式的电子产品到大型的电动汽/机车，其利用内建的可重复充电的电池，通过电力驱动而可达到减少环境污染以及可令使用者随时使用的目的，不过欲对电池充电时，常见的问题即是需要连接充电线才能充电，然而各种不同的产品因制造厂家不同，使用的充电线接头规格也不尽相同，而有使用不便的问题。

因此现有技术是通过无线充电的方式对电池充电，请参阅图8所示，其于电子产品或电动汽/机车上设有一无线接收器71，再由一无线供电器72将交流电经转换为直流电后，由一射频功率放大器721通过一传输天线722转换为电磁场后传送至无线接收器71，无线接收器71的一接收天线711接收该电磁场且经整流器712转换为直流电力后，即可为其内建的电池充电，利用该等天线711、722之间的电磁感应而达到无线充电的目的，解决现有电子产品或电动汽/机车于充电时需要连接充电线造成使用不便的问题，不过该等天线使用时必须对准否则容易产生漏磁的问题，而降低无线充电的传输效率。

请参阅图9、10所示，为一环型线圈73的磁场分布图，当环形线圈73输入电流(I)时，依据安培右手定则，环型线圈73会产生磁场(B)，该磁场是由环形线圈73的中心通过且向外辐射，再回到环形线圈73的中心；如图10所示，为前述环形线圈73的磁场强度示意图，该等环形线圈73是相对设置，且两环形线圈73间形成传输作用区，而两环形线圈73的外侧则分别形成非传输作用区，由于该等环形线圈73的磁力线是均匀分布，故非传输作用区亦会有磁力线通过，当环形线圈73通过大电流时，会在非传输作用区产生强磁场分布，而有电磁干扰的问题。

请参阅图11所示，为现有天线进行传送与接收测试的示意图，由一网络分析仪81分别通过一阻抗匹配器82、83连接至一环型天线84、85，该网络分析仪81由第一端口(Port1)送出功率信号至传送的环型天线85，再由接收的环型天线84接收功率信号并送至网络分析仪81的第二端口(Port2)，网络分析仪81通过分析第一端口与第二端口的参数(S11、S21)，可得到两环型天线84、85的传输效率。

不过前述的无线供电器72与无线接收器71的天线722、711或环型线圈73于传输电力时，使用的线圈组或天线必须相互对准才能避免电磁感应的电磁场漏失，若该等线圈组无法对准则会产生漏磁而降低无线充电的传输效率，或是在非电磁场的传输作用区域产生强磁场分布，造成周边的电子产品受到电磁干扰(EMI)的问题。

请参阅图12所示，如美国专利第7227504号“闸门型天线(Gate AntennaDevice)”，其于一集成电路(IC)上，由一个供电线圈91与四个未供电线圈92组成闸门型天线，供电线圈91与未供电线圈92皆呈平面状，各未供电线圈92是分别设于供电线圈91的四周且分别与供电线圈91的平面垂直，而呈具有开口的盒状，当供电线圈91通电产生电波信号，各未供电线圈92会因电磁感应而产生电流，藉此集中供电线圈91产生的电波信号以朝向开口方向X辐射；虽然各未供电线圈92是位于供电线圈91的四周，可避免供电线圈91的电波信号向四周辐射而有集中电波信号的效果，不过未供电线圈92是通过供电线圈91的电磁感应而产生电流，会将供电线圈91的部分电波信号消耗于电磁感应，而有降低供电线圈91的电波强度的问题。

由上述可知，现有无线供电器72的天线722容易产生漏磁而降低无线充电的效率，在非电磁场传输的作用区域会有强磁场分布，造成电磁干扰的问题，而闸门型天线虽可集中电波信号，但因其未供电线圈92是通过供电线圈91的电磁感应以集中电波信号，所以会消耗供电线圈91的部分电波信号而有降低整体电波强度的问题。

发明内容

如前揭所述，现有无线充电装置的线圈组容易产生漏磁而降低无线充电的效率，在非电磁场传输的区域会有强磁场分布，造成电磁干扰的问题，而闸门型天线虽可集中电波信号，但会消耗供电线圈的部分电波信号而降低电波强度的问题，因此本发明主要目的在提供一具集中磁场的构型天线，主要是利用谐振方式集中天线向外辐射的磁场，解决现有利用电磁感应的线圈组产生漏磁、非电磁场传输的区域会有强磁场分布与电磁干扰的问题，以及解决闸门型天线的电波强度降低的问题。

为达成前述目的所采取的主要技术手段是令前述具集中磁场的构型天线，包含有：

一主要线圈，其包含有一个以上呈环形的导线线段，且各导线线段设有一个以上的馈入点，该主要线圈在其导线线段上定义一虚拟基准面，并以该虚拟基准面集中导线线段产生的磁场的磁力线；

一对以上的辅助线圈，各对辅助线圈是相对设置且分别包含有一个以上呈环形的导线线段，各导线线段定义一虚拟基准面且设有一个以上的馈入点，各对辅助线圈分别设于主要线圈的周缘处，且各对辅助线圈的虚拟基准面是与主要线圈的虚拟基准面呈一夹角，各对辅助线圈的馈入点与主要线圈的馈入点电连接，利用各对辅助线圈的导线线段产生的磁力线将主要线圈的磁力线集中导向主要线圈的虚拟基准面。

利用前述元件组成的具集中磁场的构型天线，于主要线圈的馈入点输入电力，使主要线圈的导线线段产生的磁力线由其虚拟基准面向外辐射，又主要线圈的馈入点是与各辅助线圈的馈入点电连接，使得各辅助线圈的导线线段产生的磁力线将主要线圈的磁力线集中导向主要线圈的虚拟基准面，而可集中并增强主要线圈的磁力线以及减少主要线圈周围的漏磁，藉此解决现有利用电磁感应的线圈组容易产生漏磁与非电磁场传输的区域会有强磁场分布，而造成电磁干扰的问题，以及可解决闸门型天线因未供电线圈消耗电磁场产生的电波强度降低的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明较佳实施例的基本架构示意图。

图2为本发明较佳实施例的导线线段的配置图(一)。

图3为本发明较佳实施例的导线线段的配置图(二)。

图4为本发明较佳实施例的导线线段的配置图(三)。

图5为本发明较佳实施例的各线圈的配置与接线图。

图6为本发明较佳实施例的磁场辐射的模拟示意图。

图7为本发明较佳实施例的应用于动态供电的示意图。

图8为现有无线充电装置的基本架构图。

图9为现有线圈产生磁力线方向的示意图。

图10为现有传输线圈与接收线圈的磁场强度的示意图。

图11为现有环型天线测试传输效率的示意图。

图12为现有闸门型天线的基本架构图。

附图标号说明：

10集中磁场天线

11主要线圈

111、111A、111B、112导线线段

113、114馈入点

12、12’辅助线圈

121、121’、122、122’导线线段

123、123’、124、124’馈入点

71无线接收器

711接收天线

712整流器

72无线供电器

721射频功率放大器

722传输天线

73环型线圈

81网络分析仪

82、83阻抗匹配器

84、85环型天线

91供电线圈

92未供电线圈

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

关于本发明的较佳实施例，请参阅图1所示，于一集中磁场天线10上包含有一主要线圈11与两对的辅助线圈12、12’，其中，各对辅助线圈12、12’是分别以两两相对的方式设置，又主要线圈11与各对辅助线圈12、12’是分别呈扁平状，在本实施例中，主要线圈11与辅助线圈12、12’的轮廓概呈矩形，其中，主要线圈11具有四个边，各对辅助线圈12、12’是以直角相邻地分设于主要线圈11的四个边上，以形成具有开口的盒状。

如图所示，当集中磁场天线10连接一电源（图中未示）时，其主要线圈11与辅助线圈12、12’可产生并集中磁场向外辐射以作为传输天线，当集中磁场天线10用于接收外部磁场时可视为一接收天线；请配合参阅图2至4所示，其中：

该主要线圈11包含有一个以上呈环形的导线线段111，且各导线线段111设有一个以上的馈入点113，该主要线圈11在其导线线段111上定义一虚拟基准面，并以该虚拟基准面集中导线线段111产生的磁场的磁力线，如图2所示，该主要线圈11是由两导线线段111、112组成，各导线线段111、112是分别呈多数个弯折的环形，又两导线线段111、112是向相反的方向弯折，位于相对外侧的导线线段111是以逆时针方向弯折，位于相对内侧的导线线段112是以顺时针方向弯折，且各导线线段111、112分别于其中一端设有一馈入点113、114，以分别连接电源或辅助线圈12、12’，该主要线圈11根据两导线线段111、112以定义出虚拟基准面，并以该虚拟基准面集中导线线段111、112产生的磁场的磁力线。

如图3所示，该主要线圈11是由一导线线段111A组成，该导线线段111A是呈多数个弯折的环形，其以逆时针方向弯折并于两端分设有馈入点113、114以连接至电源或辅助线圈12、12’。

如图4所示，该主要线圈11是由一导线线段111B组成，该导线线段111B是呈多数个弯折的环形，其以逆时针方向弯折并于一端设有馈入点113以连接至电源。

其中，图2与图4所示的导线线段111、111B的配置方式为开路式(Open-End)，而图3所示的导线线段111A的配置方是为短路式(Short-End)。

各对辅助线圈12、12’可以是与主要线圈11的导线线段111、112采用相同的导线线段配置方式，亦可选用不同的导线线段配置方式，本发明不加以限制。

请参阅图5所示，各对辅助线圈12、12’是以两两相对的方式设于主要线圈11的四个边上，且皆与主要线圈11的虚拟基准面垂直，各对辅助线圈12、12’包含两个具有多个弯折的导线线段121、122以及121’、122’，各导线线段121、122以及121’、122’定义一虚拟基准面，且辅助线圈12、12’的各虚拟基准面是与主要线圈11的虚拟基准面呈一夹角，该夹角范围是介于30至150度之间，于本实施例中，该夹角的最佳角度为90度；又两导线线段121、122以及121’、122’是分别向相反的方向弯折，位于相对外侧的导线线段121、121’是以顺时针方向弯折，位于相对内侧的导线线段122、122’是以逆时针方向弯折，且各导线线段121、122以及121’、122’的其中一端设有一馈入点123、124以及123’、124’，前述主要线圈11的馈入点113是连接至一正极(＋)的电源端，主要线圈11的另一馈入点114是与辅助线圈12的馈入点123电连接，而辅助线圈12的馈入点124则是与辅助线圈12’的馈入点123’连接，如此依序连接后，再接至一负极(－)的电源端，藉此将各对辅助线圈12、12’产生的磁力线集中导向主要线圈11的磁力线的方向（如图所示X轴方向），各对辅助线圈12、12’并将主要线圈11产生的磁力线集中导向导线线段111、112形成的虚拟基准面(如图1所示)，而可令所有线圈产生的磁力线集中朝向同一方向并减少磁力线外漏。

上述的各对辅助线圈12、12’与主要线圈11的面积大小并无特定限制，但是各对辅助线圈12、12’面积为主要线圈11面积的四分之一时，其集中磁力线与传输效率为最佳。

请参阅图6所示，为集中磁场天线10的磁场辐射的模拟示意图，其实际模拟时为3D，但此图以2D呈现作为示意，于天线模拟软件中输入天线的构型与对应参数后，主要线圈11与各对辅助线圈12、12’产生的磁场会集中朝向集中磁场天线10的右侧，而集中磁场天线10左侧的磁场分布则相当稀疏，可满足本发明欲达到的集中磁场的目的。

上述的主要线圈11与各对辅助线圈12、12’并不限于矩形，亦可以是圆形、六边形、八边形或其他形状，而各对辅助线圈12、12’是对应或配合主要线圈11的轮廓，使各对辅助线圈12、12’可相邻地分设于主要线圈11的边缘；又主要线圈11与各对辅助线圈12、12’的各导线线段111、112与121、122以及121’、122’可为环形(Loop)、螺旋形(Helix)或盘旋形(Spiral)。另，主要线圈11与各对辅助线圈12的各导线线段111、112与121、122以及121’、122’的型式除可为开路式(Open-End)外，亦可为短路式(Short-End)。

请参阅图7所示，为本发明的集中磁场天线10进行动态供电的使用示意图，于道路的路面下依序设有多数个发射用的集中磁场天线10，路面上的车辆则于车底设有接收用的集中磁场天线10，路面下的各集中磁场天线10是以其主要线圈11朝向路面，以将主要线圈11的磁力线集中导向路面，可增加传输距离与效率；车辆底部的集中磁场天线10则是以其主要线圈11朝向路面，以接收路面下的各集中磁场天线10的磁力线，可减少车辆的电磁干扰的问题。

由上述可知，各对辅助线圈12、12’的磁力线是将主要线圈11产生的磁力线集中导向主要线圈11本身的虚拟基准面，可集中并增加通过主要线圈11的磁力线的磁通量，并减少磁力线外漏，藉此解决现有利用电磁感应的线圈组容易产生漏磁，非电磁场传输的区域会有强磁场分布而造成电磁干扰的问题，以及解决闸门型天线因未供电线圈消耗电磁场产生的电波强度降低的问题。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具集中磁场的构型天线，其特征在于，包含有：

一主要线圈，其包含有一个以上呈环形的导线线段，且各导线线段设有一个以上的馈入点，所述主要线圈在其导线线段上定义一虚拟基准面，并以所述虚拟基准面集中导线线段产生的磁场的磁力线；

一对以上的辅助线圈，各对辅助线圈是相对设置且分别包含有一个以上呈环形的导线线段，各导线线段定义一虚拟基准面且设有一个以上的馈入点，各对辅助线圈分别设于所述主要线圈的周缘处，且各对辅助线圈的虚拟基准面是与所述主要线圈的虚拟基准面呈一夹角，各对辅助线圈的馈入点与主要线圈的馈入点电连接，利用各对辅助线圈的导线线段产生的磁力线将所述主要线圈的磁力线集中导向所述主要线圈的虚拟基准面。

2.如权利要求1所述的具集中磁场的构型天线，其特征在于，各对辅助线圈的虚拟基准面与所述主要线圈的虚拟基准面的夹角范围是介于30至150度之间，而其最佳的夹角为90度。

3.如权力要求2所述的具集中磁场的构型天线，其特征在于，各对辅助线圈面积为所述主要线圈面积的四分之一。

4.如权利要求3所述的具集中磁场的构型天线，其特征在于，所述主要线圈与各对辅助线圈的导线线段的配置方式是呈开路式或短路式。

5.如权利要求1至4中任一项所述的具集中磁场的构型天线，其特征在于，所述主要线圈与各对辅助线圈是呈扁平状，其轮廓为矩形，由两成对的辅助线圈设于所述主要线圈的四周，以形成具有开口的盒状。

6.如权利要求1至4中任一项所述的具集中磁场的构型天线，其特征在于，所述主要线圈与各对辅助线圈分具有两导线线段，各导线线段是分呈多数个弯折的环形，且两导线线段是向相反的方向弯折，位于相对外侧的导线线段以逆时针方向弯折，位于相对内侧的导线线段以顺时针方向弯折。

7.如权利要求5所述的具集中磁场的构型天线，其特征在于，所述主要线圈与各对辅助线圈分具有两导线线段，各导线线段是分呈多数个弯折的环形，且两导线线段是向相反的方向弯折，位于相对外侧的导线线段以逆时针方向弯折，位于相对内侧的导线线段以顺时针方向弯折。

8.如权利要求1至4中任一项所述的具集中磁场的构型天线，其特征在于，各导线线段可为螺旋形或盘旋形。

9.如权利要求5所述的具集中磁场的构型天线，其特征在于，各导线线段可为螺旋形或盘旋形。

10.如权利要求6所述的具集中磁场的构型天线，其特征在于，各导线线段可为螺旋形或盘旋形。

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